Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Рис. 94. Магнитная ось, набранная из магнитов, управляет полётом электронов.

При всей кажущейся наивности представления атома в виде некоего прибора (гибрида циклотрона и магнитной антенны), модель Ритца не только верно описала водородный спектр и эффект Зеемана, но и предсказала новые спектральные серии водорода и других элементов, поздней действительно открытые. Но трагическая ранняя гибель Ритца в 1909 г., спустя год после публикации его баллистической теории и модели атома, позволила о них забыть, хотя открытыми с их помощью принципами учёные не побрезговали и пользуются ими до сих пор. В свете открытий ушедшего столетия, которое не внесло ясности в квантовую модель атома, а лишь запутало её, модель атома Ритца обретает новое звучание и смысл.

Так, открыли, что у каждого электрона есть стандартный магнитный момент μ, наделяющий электрон свойствами элементарного магнитика. Тем же магнитным моментом μ обладает и открытый в 1932 г. антиэлектрон, — позитрон. Представим теперь, что позитрон соединился с электроном, и этот диполь стал одним концом притягивать электроны, а другим — позитроны. В итоге, электроны и позитроны, последовательно цепляясь друг за друга паровозиком, могут сливаться в протяжённые прямые цепи, в которых все магнитики (магнитные моменты) электронов и позитронов ориентированны одинаково. Расстояния между их центрами окажутся постоянными, одинаковыми: порядка размера электрона a (Рис. 95). Как было показано (§ 1.16), при контакте электронов с позитронами они вовсе не уничтожаются, а просто слипаются в нейтральную частицу, оказываясь разделены расстоянием, равным классическому радиусу электрона.

Рис. 95. Магнитный момент электрона как результат вращения. Слияние электронов с позитронами в цепочки типа линейных молекул силикона и игольчатых кристаллов.

Итак, магнитные стержни, оси, набранные из элементарных магнитиков, которые Ритц только предполагал, в принципе могут вырастать сами, подобно кристаллам соли из чередующихся ионов Na+ и Cl-, или линейным молекулам полимеров, построенным из тысяч одинаковых звеньев, к примеру, — из чередующихся атомов Si и O (силикон). Стержни, содержащие равное число электронов и позитронов, не имели бы заряда, но породили бы заметное магнитное поле. Поэтому, оказавшийся возле стержня электрон не был бы ни отторгнут, ни притянут, но мог бы совершать в магнитном поле стержня круговые движения возле точки равновесия с частотой f, не зависящей от его скорости V и радиуса орбиты r (Рис. 94). В магнитном поле с индукцией B на электрон с зарядом e и массой M действует сила Лоренца F=eVB, заставляющая его двигаться по окружности с центростремительным ускорением ar=V2/r. Поскольку Mar=F, имеем MV2/r=eVB, откуда угловая скорость электрона 2πf=V/r=Be/M. То есть, частота f=Be/2πM обращения электрона, равная частоте излучаемого им света, зависит лишь от индукции поля B, поскольку величина e/2πM постоянна.

Однако, спектры излучения атомов состоят из дискретного ряда частот. Значит, и поле B может принимать лишь определённые значения. Это заставило Ритца предположить, что электрон способен занимать в атоме лишь некоторые устойчивые положения, каждому из которых присуще своё значение поля B, задаваемое расстоянием электрона до стержня. Эту мысль о наличии в атоме устойчивых положений и орбит электрона, Ритц, в отличие от Бора, развивал в рамках классического, а не квантового подхода. Он считал, что раз стандартны расстояния и размеры a магнитов, то тем же расстоянием a должны быть отделены и возможные, разрешённые положения электрона — узлы 1, 2, 3…, где он способен пребывать (Рис. 94).

Именно так и вёл бы себя электрон возле электрон-позитронного стержня, который за счёт неравномерного (дискретного) распределения зарядов создаёт небольшое продольное электрическое поле. Поэтому, где бы ни находился электрон, он всегда стремится встать против положительного позитрона, а возникающая при смещении электрона продольная сила возвращает его на место (Рис. 96). То есть, электрон способен устойчиво занимать положения — лишь напротив позитронов, и может "прыгать" вдоль стержня только на расстояние 2a.

Рис. 96. Устойчивые (1, 2, 3) и неустойчивые (4, 5) положения электрона возле цепочки.

Но смещение электрона вдоль стержня не влияет на величину магнитного поля. Да и Ритц считал, что у электрона кратно а меняется расстояние до магнита. Поэтому, приходим к выводу, что в атоме не один, а два стержня, две магнитных оси, соединённых перпендикулярно, наподобие перекладин креста (Рис. 97). Электрон, размещаясь против позитронов каждой оси, должен находиться в одном из узлов сетки, образованной линиями уровня позитронов, и его расстояние до каждого стержня будет кратно 2a. Потому, и поле B меняется прерывисто. Итак, в крестовой магнитной модели атома электрон и впрямь может занимать лишь некоторые устойчивые положения, возле которых и колеблется в магнитном поле крестовины. И, что очень важно, эта дискретность вводится в рамках классической физики. Подробнее о причинах устойчивости таких положений электронов расскажем далее (§ 3.2, § 4.14).

Рис. 97. Сетка и узлы, в которых могут находиться электроны в крестовине.

Крестовины могут нарастать так же естественно, как отдельные стержни. Крест мог бы образоваться из двух "слипшихся" стержней. Но, скорее, электрон-позитронные цепочки, стержни, оси и кресты растут, "кристаллизуются" от неких центров, ядер, подобно тому, как это происходит с настоящими кристаллами, дендритами, и, особенно, — снежинками, симметрично нарастающими от неких центров и ядер кристаллизации. Этими центрами могут быть ядра атомов, их протоны и нейтроны. Тем более, что они, как покажем (§ 3.9), могут содержать тысячи позитронов и электронов; в нейтроне их поровну, а у протона позитронов на один больше. Именно ядра могут поставлять необходимые для роста крестовины частицы.

При "кристаллизации" креста, как и при росте поликристаллов железа, магнитные моменты частиц поначалу ориентируются случайным образом. Но, если в одном стержне случайно окажется чуть больше частиц с моментом, направленным вверх, то его магнитное поле заставит некоторые частицы второго стержня повернуться так, чтобы их моменты, ориентируясь вдоль линий поля, направились вниз. Тогда, и этот стержень создаст поле, в свою очередь побуждающее больше частиц первого стержня повернуться вверх. И так постепенно, путём подобной самоорганизации, магнитные моменты обоих стержней упорядочатся, так что первый стержень образует в плоскости креста поле направленное вниз, а второй — вверх (Рис. 98). В действительности, такая модель атома имеет много общего с первой моделью атома Дж. Дж. Томсона [49, 50], а также с реально наблюдаемой в опытах самоорганизацией магнитных систем. Ведь Томсон исходно строил как раз структурную модель атома, основываясь на ныне незаслуженно забытых опытах с плавающими магнитами, выполненных А. Майером ещё в конце XIX в. [50].

Эти опыты заключались в следующем [78]. В сосуде с водой плавали пробки, в которые были вставлены слегка выглядывавшие из них намагниченные иглы. Полярность видневшихся концов игл была на всех пробках одной и той же. Над этими пробками на высоте около 60 см располагался противоположным полюсом цилиндрический магнит, и иглы притягивались к магниту, одновременно отталкиваясь друг от друга. В итоге эти пробки самопроизвольно образовывали различные равновесные геометрические конфигурации. Если пробок было 3 или 4, то они располагались в вершинах правильного многоугольника. Если их было 6, то 5 пробок плавали в вершинах многоугольника, а шестая оказывалась в центре. Если же их было, к примеру, 29, то одна пробка опять-таки находилась в центре фигуры, а остальные располагались вокруг неё кольцами: в ближнем к центру кольце плавали 6, в следующих кольцах по мере удаления от центра соответственно 10 и 12. Поэтому Томсон решил, что похожий центральный магнитный механизм (ядро) задаёт размещение электронов в атоме, чем и объясняется электронно-оболочечная структура атома и правильная структура таблицы Менделеева (§ 3.3). Да и сам А. Майер считал, что его простой опыт может служить моделью строения атомов и молекул.

Всё это очень близко к идеям Ритца, представлявшего атом в виде организующегося в правильную структуру набора магнитов с ядром, координирующим положения и движения электронов. Интересно, что и Томсон, ссылаясь на опыты Майера, считал основой атома некое ядро, центральный магнит, возле которого электроны занимают устойчивые положения и колеблются, каждый со своей характерной частотой, подобно поплавкам в опыте Майера при выводе их из равновесия. Эту ядерную гипотезу Томсона разовьёт поздней его ученик Э. Резерфорд, но уже — в рамках ошибочной планетарной модели атома, опрометчиво принятой физиками. Сходство взглядов Ритца и Томсона прослеживается ещё и в том, что Томсон, как физик-классик, поддерживал баллистический принцип [6, 93]. Интересно, что и другой известный специалист по баллистике и электромагнетизму, М.В. Остроградский, открывший теорему Остроградского-Гаусса в электростатике (§ 1.6), исследовал взаимодействие таких цепочек однотипных магнитов.